Graphene 성장과 분리

   Geim 연구진이 소개한 접착테이프법은 구조적으로 우수하고 큰 결정을 제공한다는 장점때문에 널리 사용되고 있다. [그림] 현미경상에서 광학적인 가시성을 높이기 위해 사용하는 Si/SiO2 기판 이외에도 quartz, sapphire 또는 유리 등의 투명 기판 위에도 박리가 가능해 광학 특성 연구를 위해서도 사용될 수 있다. 하지만 최종 수율이 극히 낮아서 많은 시료가 필요한 연구에 적합하지 않고, 수백 제곱마이크론 이상의 대면적이 필요한 일에도 어려움이 따른다.

 [그림] 접착테이프법으로 Si/SiO2 기판위에 박리된 그래핀 시료의 광학현미경 사진.
라만 분광법으로 두께가 확인된 단일층(1L), 이중층(2L), 삼중층(3L)그래핀이 현미경상에서도 서로 구별된다.

   접착테이프법이 알려지기 이전부터 화학적인 방법을 통해서 그래핀을 액상에서 분산시키려는 다양한 시도가 있었다. 분산을 용이하게 하기 위해서 흑연 대신에 강산에 의해 산화된 산화흑연(graphite oxide)을 사용하는데, 초음파를 이용하여 액상에서 한 층 두께의 산화그래핀을 분산시키고 기판위에 분리할 수있다. 환원제를 사용하거나 열처리를 통해 사후에 그래핀으로 일부 환원이 가능하나, 초기 산화 반응 때문에 생긴 구조적 결함은 상당수 회복이 불가능하다고 알려져 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 계면활성제를 활용하여 특수하게 열처리된 흑연으로부터 그래핀을 분산시킬 수 있다는 결과가 보고되었고, 그래핀과 비슷한 표면 에너지를 갖는 용매를 사용하면 계면활성제의 도움 없이도 액상 분산이 가능하다는 결과가 최근에 보고되는 등 그래핀을 분리하는 다양한 방법들이 개발되고 있다.
  흑연에서 출발하는 top-down 방식뿐만 아니라 탄소 원자로부터 성장시키는 bottom-up 접근도 다양하게 시도되고 있다. SiC 기판을 진공에서 annealing하면 결정성이 높은 흑연층이 만들어진다는 사실을 이용해서 Rotenberg 연구진은 중층 그래핀을 대면적으로 성장시키고 광전자 분광법을 통해서 전자구조를 연구하였다. Sutter 연구진은 Ru 단결정위에 수십 마이크론 크기의 단결정 그래핀이 적층 성장하는 것을 실시간으로 관찰하기도 하였다. 최근 성균관대학교의 홍병희 교수 연구진은 다결정 Ni 박막을 기판으로 사용하여 복층 그래핀을 센티미터 크기로 대면적 성장시킨 후, 화학적 식각반응을 통해서 그래핀을 기판에서 분리하는 기술을 선보였다.
   위에서 소개한 각각의 그래핀 성장과 분리 방법들은 제한된 물성과 낮은 경제성 등 아직 극복해야할 과제들을 가지고 있다. 하지만 단기간에 쏟아져 나온 연구 성과와 경쟁적인 연구 분위기를 고려할 때 머지않은 장래에 양질의 그래핀 시료를 더욱 경제적으로 만들 수 있는 방법을 기대해 볼 수도 있을 것이다.